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成元器件应用计算-数字IC

时间:2020-01-07 00:14来源:海猎人

集成元器件应用计算

4.1 数字IC

数字集成IC的种类很多,指标也不少,但是有一定的规律性,电源、数字输入I/O口、数字输出I/O口(有上拉电阻、无上拉电阻OC/OD门)、驱动能力、输入阻抗、输出阻抗、偏置电流、温漂等关键控制项。下面以各类数字IC中的典型指标为例来逐一解释这些参数的含义和作用。

1)工作电压范围

4-1

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此指标表明芯片的工作电压范围为1.83.6V,最低为1.65V。因此,当由于各种原因导致电压跌落时,均不得低于1.65V,一旦低于此数值,则会导致本芯片关机或处于复位禁用状态。当此芯片的供电电源同时给一些较大负载供电时,大负载的导通瞬间会拉低电源的电压,从而产生瞬间电压塌陷,塌陷电压低于1.65V时,即使反弹回来了,仍然会有引起芯片复位的风险。本书第11.9节中的电压塌陷波形即为此参数的运用。

2)电压容限

4-2

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4-2中的UILUIH表示STM8L15XKX芯片的数字输入引脚所能接受的低电平和高电平的电压范围。这几个参数的表示含义如图4-1所示。

输入电压超出了UHmax=UDD+3.6V,可能会对芯片造成损坏;

当输入电压低于UHmax,但高于UHmin=0.70×UDD时,芯片会认为接收到的是高电平;

当输入电压在UHminULmax之间时,芯片对电平的认定是不确定的;

当输入电压低于ULmax,但高于ULmin=Uss-0.3V时,芯片认为接收到的是低电平;

输入电压低于了ULmin=Uss-0.3V,可能会对芯片造成损坏。

3)输入引脚

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4-1

4-3

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UILNRST)的值是芯片的NRST引脚所能接受低电平输入的电压范围(见表4-3)。当外部芯片给成元器件应用计算-数字IC - 海猎网-海猎人输入低电平时,前端芯片的低电平电流为灌电流,电流方向如图4-2中的IoL

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4-2

由表4-3可得UIL0.8V

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即是前端的匹配芯片输入端的IoL电流必须保证不低于53μA,否则,两个芯片的引脚互联时就不能提供可靠低电平,从而导致信号控制出现问题。

4)输出引脚上拉电阻

芯片的输出引脚,一般有三种状态,高电平、低电平、高阻态。有的引脚是OD门(漏极开路)电路形式,这种情况下,片外必须单独加上拉电阻;

而有的引脚不是OD门,在片内引脚上有个弱上拉电阻接到VCC,这种情况下,如果后面所连接芯片引脚与前端引脚都是CMOS工艺电路,而且引脚输出所驱动的输入引脚数量不超过3个时,可以省略掉外接上拉电阻;但如果不属于这种情况,如后级连接为三极管放大或驱动、继电器驱动控制、多负载驱动等电路,则也需加上拉电阻,以增强带载能力。

引脚上拉电阻的设计出发点有两个。

在正常信号传输或信号线连接断开的故障状态下,引脚均不应出现电平不确定的状态,如不加上拉电阻,则可能在连接线接头脱落后,后级元器件的输入引脚悬空。这种情况极易引入外来空间耦合干扰。

在后级负载较大,需要较大的驱动电流时,单纯依赖芯片驱动引脚输出电流是不足的,可以通过上拉电阻从电源上取一部分电流,以增强电流驱动能力。

上拉电阻的参数选择计算方法如图4-3所示。

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4-3

在前极Vout输出高电平时,输出电流I0,信号线上电压U须为高电平。有两种情况:

A.I0I1+I2时,

这种情况下,RL1RL2两个负载不必要通过R取电流,因此对R阻值大小要求不高,通常4.7kΩR20kΩ即可。此时R的主要作用是增加信号可靠性,当Vout连线松动或脱落时,抑制电路产生鞭状天线效应吸收干扰。

B.I0I1+I2时,

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由以上三式计算得出,

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其中,I0I1I2都是可以从数据手册查到的,I就可以求出来,UHmin也是可以查到的。

当前极Vout输出低电平时,各引脚均为灌电流,则

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以上三式可以得出

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由公式(4.1)、公式(4.2)得出,成元器件应用计算-数字IC - 海猎网-海猎人,得到R的上限值和下限值(也是上拉电阻的理论边界值),从中取一个较靠近中间状态的常用阻值即可。

特别提示:如果后接负载的个数不定的话,要按照最坏的情况计算,上限值要按负载最多时候的驱动电流计算,下限值要按负载最少时的驱动电流计算。

以下表4-4为例,UDD=3V,当输出低电平时,UoLmax≤0.45V,输出引脚的灌电流为IIO=3mA时,将以上数值代入公式(4.2),得

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4-4

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5)输入电容

元器件引脚的输入电容,如图4-4中的C,其作用是稳定输入pin引脚的输入信号电平,电容的工作特性是抑制电压的突变,瞬间尖峰干扰脉冲耦合到引脚上时,电容吸收尖峰,信号波形变好,不至于出现瞬间的上升沿或下降沿而导致误触发,可使后续芯片对输入信号不会产生误判。

该电容的存在,会对信号的上升沿和下降沿时间产生直接的影响,使上升沿和下降沿变得平缓,从而限制数据传输的速率。当前端输出电平由低电平变为高点平时,输入电容端的输入信号将会发生由低电平到高电平的跳变,由Ucc通过RC充电,但RC的充电电路有个积分时间常数τ=RC,在3RC的时间时,电容充电可以充到0.95Ucc的电压水平(见本书第11.3节)。

当输入信号频率比较低的时候,时间周期较长,RC充电过程的波形如图4-5a所示,信号有足够的高电平保持时间,便于后级pin引脚读取高电平信号或识别上升沿过程;但当数据速率较高的时候,信号周期变得很短,RCpin引脚信号的延迟作用将会上升为主要矛盾,当频率高到一定程度的时候,信号高电平的时间里,如果不足以使引脚电容上的电压(图4-5b中的Ua)达到高电平电压容限最小临界值UHmax的水平,则会导致输入引脚不能读到可靠的高电平或上升沿信号。

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4-4

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4-5

以表4-5为例计算信号传输速率的限值,C=400pF,当前端上拉电阻选值为10kΩ时,则上升沿时间取3RC=3×10×103×400×10-12=12μs,按照对称原则,下降沿时间也为12μs,高电平保持时间和低电平保持时间也均取12μs,则传输信号的周期T=12+12+12+12=48μs,则信号频率成元器件应用计算-数字IC - 海猎网-海猎人,如果再适当留点余量,就可以考虑取19200bps的波特率。

4-5

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6)静电等级

4-6

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芯片的防静电等级指标主要用于焊接加工现场静电等级的选择参考、维修场合静电等级的限制、应用工作状态下的静电等级限制几个方面。在表4-6中,人体接触放电模式(HumanBodyModel)下,该芯片能承受的最大ESD电压不高于2000V。因此,焊接现场的防静电要求必须不能产生2000V以上的电压。超出了就有焊接过程中静电损伤的风险。而带电热插拔(ChargeDeviceModel)的脉冲电压承受限值为1000V

7)热阻

热阻的单位为/W,表征的是元器件的散热能力,热阻越小,表示对热散发的阻碍越小,散热的能力越强。热阻的主要作用是用于做热计算。

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其中,

TAmax是环境温度的最大值;

θJA是晶圆PN结到环境的热阻。

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其中,

PINTmax=IDD×UDD,片内功耗的总和;

PI/omax=Σ(UoL×IoL)+Σ((UDD-UoHIoH),引脚上消耗的电功率,引脚低电平时因为是灌电流,所以所有输入低电平引脚的输入功率Σ(UoL×IoL)都会以热的形式消耗在芯片上;而高电平时,电流是对外输出的,且只有一部分电压被片内上拉电阻或元器件分担,因此高电平引脚的消耗电功率为Σ((UDD-UoHIoH),这两部分构成了引脚的热耗PI/omax

8)驱动能力

对于芯片来说,要想被驱动工作,需要两个条件:电压够高,电流够大。一个芯片中的所有引脚的总驱动输出电流会有一定的限制。当输出高电平时,其电流IUDD是输出方向;当输出低电平时,其电流为灌电流IUSS,由外部的元器件或电源输入到芯片中来。

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对于每一只引脚,也有输出电流和输入电流的限制要求。这在芯片后接较多的引脚的时候需要认真对待。

例:74系列TTL与非门的门电路输出引脚能驱动同类型门电路的引脚个数是多少?

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其中,

IoL(max)74系列芯片的低电平输出电流的最大值;IIL74系列芯片引脚低电平输入电流值。

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其中,

IOH(max)74系列芯片的高电平输出电流的最大值;

IIH74系列芯片引脚高电平输入电流值。

由此得出,74系列TTL与非门的门电路输出引脚能驱动同类型门电路的引脚个数约为10个。

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